На правах рукописи ИВАЩУК ОРЕСТ ДМИТРИЕВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

На правах рукописи
ИВАЩУК ОРЕСТ ДМИТРИЕВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ
ТЕРРИТОРИИ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ
Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами (строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Орел 2011
2
Работа выполнена на кафедре «Информационные системы»
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (г.Орел)
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
доктор технических наук,
профессор
Константинов Игорь Сергеевич
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
доктор технических наук,
профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Корсунов Николай Иванович
кандидат технических наук,
Мозгов Сергей Сергеевич
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:
ФГБОУ ВПО «Тамбовский
государственный технический
университет»
Защита состоится 19 декабря 2011 года в 16-00 на заседании диссертационного
совета Д 212.182.09 при ФГБОУ ВПО « Госуниверситет-УНПК» по адресу:
302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО « Госуниверситет-УНПК».
Автореферат разослан 17 ноября 2011 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью
организации, просьба отправлять в адрес диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
Клюева Н.В.
3
Актуальность работы. Градостроительство является одной из важнейших сфер экономики современного государства. Однако сегодня создание жилых комплексов в городах России в основном осуществляется в условиях отсутствия общей стратегии социально-экономического развития территории; не
проводятся мониторинг и оценка динамики ее экологической безопасности, которая представляет собой систему состояний природных и техногенных объектов в их взаимосвязи, влияющих на здоровье и жизнедеятельность населения. В
результате территория жилой застройки (как существующей, так и планируемой для строительства) зачастую оказывается в зонах устойчивой (в пространстве и во времени) неблагоприятной экологической ситуации, когда показатели
качества природной среды, обусловленного сочетанием процессов и обстоятельств природного и техногенного характера, не соответствуют нормам. Так,
сегодня в городах, где среднегодовые концентрации вредных примесей в атмосфере превышают предельно-допустимые значения, проживает 65 млн. человек
(более 45% населения РФ); 60 % населения городов живут в условиях высокого
и очень высокого уровня загрязнения воздуха (по данным Федеральной службы
по экологическому, технологическому и атомному надзору).
Эффективное решение проблемы обеспечения приемлемого качества
природной среды на территории жилой застройки возможно при создании современных систем управления ее экологической безопасностью, основные требования к которым – адекватность динамике параметров и структуры природных и техногенных объектов, внешней среды; необходимость учета развития
социальной среды, характеризуемой параметрами качественной оценки; реализация объективного и оперативного управления. Это неотъемлемо связано с использованием передовых информационных и телекоммуникационных технологий, перспективных методов моделирования и средств автоматизации, т.е. с
разработкой адаптивных автоматизированных систем управления (АСУ) экологической безопасностью.
При этом сегодня актуально не только создание АСУ данного класса, но и
обеспечение их интеллектуализации, прежде всего, при поддержке принятия
управленческих решений, когда процесс формирования альтернативных сценариев управления передается от человека к компьютеру, и он реализуется точнее, быстрее и надежнее. Для этого необходим синтез функционирования АСУ
на базе специально разработанных моделей.
Подобные интеллектуальные АСУ экологической безопасностью, разработанные для территорий жилой застройки, должны стать неотъемлемой частью общей интеллектуальной сети «умного города» и способствовать обеспечению высокого уровня качества жизни населения.
Таким образом, процессы моделирования при создании и функционировании АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, обеспечивающие адаптивность системы и возможность проведения адекватных
компьютерных экспериментов, являются сегодня крайне актуальными.
Объектом исследования является процесс автоматизированного управления экологической безопасностью территории жилой застройки.
4
Предметом исследования являются модели в АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, методы и алгоритмы оценки и прогнозирования экологической ситуации на территории жилой застройки, а также
формирования альтернативных вариантов управления.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является
повышение эффективности принимаемых решений при автоматизированном
управлении экологической безопасностью территории жилой застройки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– анализ процессов управления экологической безопасностью территории
жилой застройки в современных условиях;
– исследование и построение модели объекта управления и модели адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки;
– разработка и исследование моделей оценки динамики экологической
ситуации, прогнозирования состояния экологической безопасности территории
жилой застройки и выбора путей управления;
– программная реализация моделей и моделирование экологической ситуации на конкретной территории жилой застройки, разработка практических
рекомендаций по применению моделей и программ.
Методы исследования основываются на системном анализе; теории
множеств и математической логике; теории построения АСУ, методах искусственного интеллекта (аппаратах искусственных нейронных сетей и нечеткой
логики) и компьютерного моделирования; математической статистике; экспертных оценках; экспериментальных исследованиях.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается соблюдением ГОСТов, применением сертифицированных приборов, лабораторного оборудования и программного обеспечения; воспроизводимостью и согласованностью данных, полученных в ходе
имитационных и проверочных натурных экспериментов; положительным внедрением результатов работы на ряде предприятий и организаций, свидетельством о госрегистрации программы для ЭВМ.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в получении
новых научных результатов, включающих:
– модели объекта управления и АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, отличительной особенностью которых является многокомпонентное представление объекта управления, реализация внутренних
контуров управления для обеспечения адаптивности системы, интеллектуализация обработки исходной информации в системе мониторинга;
– модель оценки динамики экологической ситуации на территории жилой
застройки, в основе которой лежит применение лингвистического подхода и
аппарата нечеткой логики при формировании первичных и синтезе новых знаний; нейросетевые модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды и выбора управляющих воздействий;
– алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при
функционировании АСУ, отличительной особенностью которого является при-
5
менение реализаций построенных моделей оценки, прогнозирования и выбора
управляющих воздействий.
Практическая значимость работы заключается
– в программной реализации построенных моделей оценки, прогнозирования и выбора управляющих воздействий (программный комплекс зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам);
– в практических рекомендациях по применению разработанных программ и алгоритмов в АСУ экологической безопасностью территории жилой
застройки Орловского региона;
– в результатах экомониторинга и модельного прогнозирования экологической ситуации на территории жилой застройки г. Орла и г. Мценска, их научном анализе.
Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы в виде разработанных моделей, алгоритмов и рекомендаций внедрены в строительных организациях ООО «Стройинвест» и ЗАО «Холикон-Инвест» (г. Орел) для оценки
динамики экологической ситуации на территории жилой застройки, рационального выбора территории для строительства жилых объектов; в строительномонтажной организации ООО «Бриз» (г. Орел) для оценки экологической ситуации на территории жилой застройки, прилегающей к производственным объектам; в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» и ФГБОУ ВПО «Орловский
государственный аграрный университет» для использования в учебном процессе, научно-исследовательской работе студентов, магистрантов и аспирантов.
На защиту выносятся:
– модель объекта управления и модель адаптивной АСУ экологической
безопасностью территории жилой застройки;
– модель оценки динамики экологической ситуации на территории жилой
застройки;
– модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов
природной среды на территории жилой застройки, модели формирования
управляющих воздействий;
– алгоритм формирования рекомендаций;
– практические результаты применения предложенного подхода в различных организациях Орловского региона.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения: «АПИР-15» (Тула, 2010 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Искусственный интеллект в ХХI веке» (2010 г., Пенза), Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие –
новый мир» (Москва, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011 г.), Международной
научно-практической интернет - конференции «Информационные системы и
технологии» (Орел, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Развитие информационных технологий и их значение для модернизации
социально-экономической системы» (Саратов, 2011 г.), V Международной
6
научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные
технологии в образовании, науке и производстве» (Протвино, 2011 г.), 2-ой
Международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и
технологии» (Белгород, 2011 г.), а также на научных семинарах и конференциях
профессорско-преподавательского состава Госуниверситета-УНПК.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных
работ, в том числе 4 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для
публикации трудов на соискание ученых степеней. Получено свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения и приложений. Содержание работы изложено на 132 страницах
машинописного текста, содержит 23 рисунка, 7 таблиц, список литературных
источников из 129 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и задачи
исследования, научная новизна и практическая значимость работы, результаты,
выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ формирования экологической ситуации
на территории жилой застройки в современных условиях; анализ использования автоматизации при управлении экологической безопасностью, подходов к
интеллектуализации поддержки принятия решений и к моделированию экологической ситуации; формулируются задачи дальнейшего исследования.
В последние годы строительство жилых домов (в т. ч. жилых комплексов
с развитой инфраструктурой) в регионах России характеризуется высокими
темпами роста, пример Орловской обл. на рисунках 1, 2. При этом результаты
научных исследований ученых, госстатистика о социально-экономическом развитии страны, собственные эксперименты, проведенные в г. Орле, показывают:
значительная часть территории жилой застройки находится в зоне мощного
негативного техногенного воздействия. Это определяет необходимость реализации эффективных мероприятий по регулированию экологической ситуации на
данной территории (как существующей, так и планируемой для строительства).
Рис. 1 – Число действующих строительных
организаций в Орловской обл.
Рис. 2 – Ввод в действие жилых домов
в Орловской обл.
Основные подходы к строительству и развитию городов с функциями,
удовлетворяющими рациональным потребностям человека и требованиям
7
устойчивого развития, представлены в работах В.В. Владимирова, В.А. Ильичева, В.И. Колчунова, В.И. Осипова, В.И. Теличенко и др. ученых. Среди исследований по применению автоматизации в области управления экологической безопасностью территорий следует отметить работы В.Н. Денисова, В.К.
Донченко, С.Ю. Ксандопуло, В.М. Панарина, В.В. Растоскуева, Э.М. Соколова.
В работах О.А. Иващук, И.С. Константинова представлен общий методологический подход к построению адаптивных АСУ экологической безопасностью
промышленно-транспортного комплекса.
Однако до настоящего времени не разработаны АСУ экологической безопасностью для территорий жилой застройки; отсутствуют модели оценки динамики экологической ситуации, обеспечивающие интеллектуализацию поддержки принятия решений в АСУ и, как следствие, повышение эффективности
управления экологической безопасностью. Для решения данной научной задачи
сформулированы направления дальнейшего исследования.
Вторая глава посвящена исследованию и построению модели объекта
управления и модели адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки.
В данной работе экологическая безопасность территории жилой застройки как объект управления АСУ представлена многокомпонентной системой состояний природных, социальных и техногенных объектов, влияющих на здоровье и жизнедеятельность населения. Она формально описывается как
ΣОУ = < WОУ, Q, R, FОУ, ООУ >,
(1)
где WОУ={wОУ} – множество компонентов объекта управления; Q={q} – внешние воздействия на WОУ; R={r} – множество состояний элементов WОУ;
FОУ={fОУ} – отображения на WОУ, Q и R, при этом FОУ: (WОУ, Q, R) → R;
l
OОУ={oОУ} – отношения над элементами WОУ, Q и R, при этом OОУ: ( WОУ ,Qj,Rh).
Определены основные составляющие WОУ: природная система (ПС) –
множество компонентов природной среды на территории жилой застройки (атмосфера, акустическая среда, водные, почвенные ресурсы и др.), подвергающихся негативному воздействию и влияющих на качество жизни населения;
техническая система (ТС) – множество техногенных объектов, воздействующих на природную среду; социальная система (СС) – множество элементов социума (человеческий фактор), влияющих на динамику экологической ситуации.
Данные компоненты объекта управления в результате их взаимодействия определяют состояние экологической безопасности территории жилой застройки.
При этом реализация конкретных управляющих воздействий, влияющих на динамику экологической ситуации, связана с изменением параметров ТС и СС.
Итак, объект управления АСУ экологической безопасностью территории
жилой застройки – сложная динамичная природно-социо-техническая система.
Множество Q включает управляющие U и внешние ω воздействия: Q={U,
ω}; ω = {ωПС, ωТС, ωСС}, где ωПС, ωТС, ωСС – воздействия внешней среды на ПС,
ТС и СС соответственно; ω  Ω, где Ω – внешние воздействия на АСУ. U={UТС,
UСС}, где UТС – управляющие воздействия на ТС, а UСС – на СС.
8
Множество состояний R включает два основных подмножества: R = {Х,
Z}, где Х характеризует состояние ПС (концентрации загрязнений, уровень физических воздействий и т.п.), а Z – состояние подсистем, которые влияют на ПС
и на которые оказываются управляющие воздействия: Z = {ZТС, ZСС}, где ZТС и
ZСС – множества состояний ТС и СС (технические и технологические параметры, объемы и качество продукции и услуг и др.). Они формируются отображениями FОУ={ f X , f Z ТС , f Z СС }, где f X : ZТС  ZСС  ωПС → Х реализуется ПС;
f Z ТС : ωТС  xТС  zТС  UТС → ZТС – ТС, f Z СС : ωСС  xСС  zСС  UСС → ZСС – СС.
Цель управления экологической безопасностью территории жилой застройки в АСУ – минимизация (в результате реализации управляющих воздействий U как вариации параметров Z с учетом внешних условий ω) негативного
техногенного воздействия на природную среду данной территории, что связано
с минимизацией разности ΔХ между фактическим Х и целевым Х0 состояниями
ПС: ΔХ→ 0. При этом состояние ТС и СС должно соответствовать необходимому уровню развития экономики и социокультурного пространства региона.
Тогда задача оптимального управления формулируется следующим образом:
J(Х,U,ω) = JПС(Х, ZТС, ZСС, ωПС) + JТСС(U, Z, ω, x, z) → min
(2)
ZТС  DТС, ZСС  DCС;
где J – критерий оптимальности состояния объекта управления, JПС – природной системы, а JТСС – технической и социальной систем; x – влияние ПС на состояние ТС и СС; z – взаимовлияние ТС и СС (z  Z, x  X); DТС – область допустимых состояний для ТС, определяемая потребностями экономики региона;
DCС – область допустимых состояний для СС, определяемая потребностями и
приоритетами населения, особенностями социокультурного пространства региона.
Определены следующие функции адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки, в которой реализуется интеллектуализация поддержки принятия решений: проведение интеллектуального мониторинга; автоматизированное накопление, обработка и хранение данных; автоматизированное формирование альтернативных сценариев управления; выработка и реализация рациональных управляющих воздействий; обмен информацией подсистем АСУ между собой и с внешней средой.
В составе АСУ выделены следующие основные подсистемы: объект
управления, описанный выше как сложная динамичная природно-социотехническая система; управляющая система; исполнительная система, реализующая конкретные управляющие воздействия U; система интеллектуального мониторинга, объединяющая контрольно-измерительный блок (сбор информации Х, Z, Ω) и блок оценки экологической ситуации (модельная оценка
текущей экологической ситуации и ее предварительный анализ); интеллектуальная система поддержки принятия решений (ИСППР). На уровне ИСППР
не только происходит обработка собранной информации в форму, пригодную
9
для поддержки принятия решений, но и формируются сценарии управления, а
также сигналы, являющиеся управляющими для других подсистем АСУ.
Модель адаптивной АСУ экологической безопасностью территории жилой
застройки, включающая модель объекта управления и модели процессов управления, схематично показана на рисунке 3, где ωизм., ωУС, ωИС  Ω – множества
внешних воздействий на контрольно-измерительный блок, управляющую и исполнительную системы соответственно; Y – результат сбора информации; Х' –
результат оценки текущей экологической ситуации, определяющей состояние
экологической безопасности; m – альтернативные сценарии управления; γ – координирующие сигналы, соответствующие управленческим решениям; γ', γ''–
результаты выбора, реализации и контроля конкретных управляющих воздействий; ν и λ – формируемые в ИСППР модели оценки и корректировки, необходимые для организации интеллектуального мониторинга и обеспечения адаптации системы мониторинга к конкретным условиям.
В
н
е
ш
н
я
я
с
р
е
д
а
10
Рис. 3 – Схематичное представление модели АСУ экологической безопасностью
территории жилой застройки.
Отличительной особенностью предложенной модели АСУ является многокомпонентное представление объекта управления с учетом состояния социальной сферы, интеллектуализация обработки исходной информации в системе
мониторинга. Кроме того, в данной модели введены внутренние контуры
управления для обеспечения адаптивности системы, в каждом из которых субъектом управления выступает ИСППР, а объектом – другая подсистема АСУ,
например, управляющая система (m – управляющий сигнал) или система интеллектуального экомониторинга (λ, ν – составляющие управляющего сигнала).
В третьей главе разработана модель оценки динамики экологической
ситуации на территории жилой застройки, а также модели оценки и прогнозирования качества отдельных компонентов природной среды, формирования
управляющих воздействий.
Экологическая ситуация на территории жилой застройки характеризуется
совокупным состоянием качества различных компонентов природной среды,
которые оказывают влияние на здоровье и жизнедеятельность населения. При
построении ее модели в данной работе используется понятие лингвистической
переменной (для формирования характеристики) и аппарат нечеткой логики
(для синтеза знаний о состоянии отдельных компонентов природной среды).
Введена лингвистическая переменная
ES = <S,T,В,R,H>,
(3)
где S = «экологическая ситуация на территории жилой застройки»; Т – терммножество переменной S, областью определения которого является числовое
множество В; R – синтаксические правила, порождающие название терма; H –
семантические правила. Т = {Т1, Т2, Т3, Т4, Т5}, где термы:
– Т1 = «нормальная» – показатели качества всех компонентов природной
среды соответствуют нормативам для данной территории;
– Т2 = «относительно опасная» – загрязнение отдельных компонентов
природной среды превышает допустимый уровень, но отклонения от норм не
являются устойчивыми (в пространстве и во времени);
– Т3 = «опасная» – загрязнение каждого из компонентов природной среды
превышает допустимый уровень, но без образования устойчивых экологически
опасных зон, или загрязнение только отдельных компонентов превышает допустимый уровень, но отклонение от нормы является значительным и способствует образованию устойчивых экологически опасных зон;
– Т4 = «очень опасная» – характеристики качества всех компонентов природной среды не соответствуют нормам, при этом отклонения для некоторых из
них являются значительными и способствуют образованию устойчивых экологически опасных зон;
– Т5 = «критическая» – загрязнение всех компонентов природной среды
значительно превышает допустимый уровень с образованием устойчивых экологически опасных зон.
Термы Т2, Т3, Т4, Т5 характеризуют неблагоприятную экологическую ситуацию.
11
Целесообразно использование составной лингвистической переменной
ES=(S1,S2,…, SJ), где Sj ES («уровень загрязнения воздушного бассейна», «уровень загрязнения воды», «скопление отходов» и др.), j=1,…,J. При этом, процесс
классификации экологической ситуации проходит как анализ взаимодействия
ряда частей, включенных в ES, а результат является синтезированным. Для его
реализации строится набор условных правил логического вывода:
если (S1 = a11 ) и (S 2 = a 21 ) и … и (S J = aJ1 )
или (S 1 = a12 ) и (S 2 = a22 ) и … и (S J = aJ2 )
…
или (S 1 = a1n ) и (S 2 = a2 n ) и … и (S J = a Jn )
…
или (S 1 = a1N ) и (S 2 = a1N ) и … и (S J = aJN )
то у = сi,
(4)
где a jn – нечеткий терм оценки Sj в правиле n (n = 1,…,N); y = (c1,…,cI) – значения вывода; i = 1,…, I. При построении функций принадлежности используются
знания и опыт экспертов, данные статистики и мониторинга. Синтез знаний о
состоянии компонентов природной среды заложен в принципах проведения нечеткой импликации на этапах формирования общего логического вывода.
Для разработки моделей оценки и прогнозирования качества отдельных
компонентов природной среды на территории жилой застройки, а также моделей выбора управляющих воздействий (как вариации параметров техногенных
и социальных объектов) использован аппарат искусственных нейронных сетей.
В четвертой главе продемонстрировано применение разработанного
теоретического аппарата для построения и использования моделей экологической ситуации и их программной реализации в АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки в конкретном регионе (территория г. Орла).
В период 2004/11 гг. проводился экомониторинг на территории жилой застройки г. Орла. Его результаты показали: приоритетная роль в формировании
неблагоприятной экологической ситуации на данной территории принадлежит
загрязнению воздушного бассейна (химическое загрязнение атмосферы и физическое шумовое воздействие); основным источником негативного техногенного
воздействия является автотранспорт: его доля в выбросах загрязнений в атмосферу – более 88 %, в негативном шумовом влиянии – более 80%; в зоне с превышением предельно-допустимой концентрации средне суточной (ПДКСС) загрязнений в атмосфере находится более 35 % территории жилой застройки (в
сухую безветренную погоду – до 80 %); акустическая среда на 60 % территории
в зоне влияния автодорог является дискомфортной (более 20 % – в зоне устойчивого акустического дискомфорта, не пропадающей в течение суток).
Разработана модель для характеристики экологической ситуации на территории жилой застройки по состоянию воздушного бассейна, а именно по совокупному состоянию атмосферного воздуха и акустической среды. Экологическую ситуацию описывает составная лингвистическая переменная ES=(S1,S2),
где S1 = «уровень загрязнения атмосферного воздуха»; S2 = «уровень загрязнения
12
акустической среды». Термы в данной модели (см. (4)): а11 = а21 = «пониженный», а12 = а22 = «повышенный», а13 = а23 = «значительный». Выход – характеристика сложившейся/прогнозируемой на территории жилой застройки экологической ситуации – функция y = «экологическая ситуация». Для формирования выхода ES сконструирован набор из 9-ти логических правил, используется
алгоритм нечеткого вывода Сугено 0-го порядка, экологическая ситуация характеризуется по условной 5-ти балльной шкале (в соответствии с характеристикой термов Т).
Показателем уровня химического загрязнения воздушного бассейна на
территории жилой застройки определена сумма отношений фактических (или
спрогнозированных) концентраций оксида углерода (СО), диоксида азота (NO2)
и диоксида серы (SO2), обладающих эффектом суммации, к их ПДК максимально разовым (ПДКм.р.) в атмосфере населенных пунктов (значение b1 на множестве B1). При оценке уровня среднегодового загрязнения атмосферного воздуха
используются средневзвешенные значения концентраций, вычисленные с учетом «розы ветров» для данной территории.
Показателем уровня физического загрязнения воздушного бассейна определено значение эквивалентного уровня шума (b2 на множестве B2).
Выявление области определения каждого терма и построение функций
принадлежности μ aij (i,j =1,2,3) для переменных S1 и S2 производилось на основе анализа данных экомониторинга с использованием утвержденных в РФ нормативов для выбранных показателей качества воздушного бассейна. Например,
в качестве μ a1 2 определена трапециевидная функция принадлежности:
∀b1 ∈B1 ,  a12 (b1 ) 
1,
(b1 – 0,8)/(2 – 0,8),
(5 – b1)/(5 – 4),
0,
если 2 ≤ b1 ≤ 4;
если 0,8 ≤ b1 ≤ 2;
если 4 ≤ b1 ≤ 5;
в остальных случаях.
Интервал 2÷4ПДКм.р. полностью соответствует значению индекса СИ =
2÷4, характеризующему повышенный уровень загрязнения (СИ – наибольшая
измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК м.р.); значение
0,8ПДКм.р. соответствует наибольшему значению концентрации загрязнений в
приземном слое атмосферы жилой застройки.
В качестве  a22 определена треугольная функция принадлежности:
∀b2 ∈B2 ,  a22 (b2 ) 
(75–b2)/(75–60),
(80 – b2)/(80 – 75),
0,
если 60 ≤ b2 ≤ 75;
если 75 ≤ b2 ≤ 80;
в остальных случаях.
Уровень шумового воздействия не более 75 дБА соответствует требованиям для территории тротуара и (по данным мониторинга) максимальным уров-
13
ням звука в жилых помещениях (не более 55 дБА). При 75÷80 дБА наблюдается
превышение граничного значения на территории тротуара и допустимого уровня для жилых помещений, но соблюдаются требования по максимальным уровням звука в жилых помещениях; до 60 дБА соблюдаются нормы для территорий с жилой застройкой и детских площадок.
Для оценки и прогноза показателей качества отдельных компонентов воздушного бассейна и выбора управляющих воздействий построены нейросетевые модели.
Для программной реализации разработанных моделей использована система компьютерной математики MATLAB. Создан программный комплекс (на
который получено свидетельство о госрегистрации) «Оценка и прогнозирование уровня экологической ситуации на территории жилой застройки» (включающий 5 программ) для проведения компьютерных экспериментов:
– по оценке и прогнозированию концентрации СО, NO2, SO2 в атмосфере
(ИНС_АТМОСФЕРА) и эквивалентного уровня шума (ИНС_ШУМ) на жилых
территориях в зависимости от фона, параметров транспортного потока на прилегающих автодорогах, расстояния до них, озеленения, плотности и высотности
застройки, скорости и направления ветра;
– по оценке экологической ситуации по состоянию воздушного бассейна (ЭС);
– по выбору управляющих воздействий как изменения озеленения территории,
расстояния от планируемого жилого комплекса (дома) до автодороги, плотности
застройки (ИНС_ИНФРАСТРУКТУРА), параметров транспортного потока на
прилегающей к жилому комплексу автодороге (ИНС_АВТОДОРОГА).
На рисунке 4 представлен алгоритм формирования рекомендаций для
управляющей системы при функционировании АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки в конкретном регионе, где
– ССО , С NО2 , СSО2 – концентрации СО, NO2, SO2, мг/м3;
– Lэкв . – эквивалентный уровень шума, дБА;
– N, Nл., Nгр., Nавт. – интенсивности потоков транспорта, легковых, грузовых автомобилей, автобусов, авт./ч;
– Qг.авт. – доля в потоке грузовых автомобилей и автобусов, %;
– V – скорость потока, км/ч;
– l' и l – ширина улицы и проезжей части, м;
– Н – высотность застройки (85 % обеспечения), м;
– kз. – плотность застройки, %,
– l' – расстояние от границы жилой застройки до автодороги, м;
– kоз. – коэффициент озеленения, ед./100 м.
Для визуализации данных мониторинга и компьютерных экспериментов
создан банк электронных карт «Экологическая ситуация на территории жилой застройки г. Орла», на рисунках 5 и 6 показаны его фрагменты (оценка
среднегодового состояния и прогноз на летний период).
14
НАЧАЛО
Сбор данных (экомониторинг): показателей качества атмосферы и
акустической среды ( ССО , СNО2 , СSО2 , Lэкв . ); параметров, определяющих
формирование экологической ситуации на территории жилой застройки
(N, Nл., Nгр., Nавт., Qг.авт., V, l, l', kоз., Н, kз.)
да
Часть данных в системе
экомониторинга отсутствует?
нет
Формирование недостающих данных с использованием
компьютерных программ
ИНС _АТМОСФЕРА
( ССО , СNО2 , СSО2 ), ИНС _ШУМ ( Lэкв . )
Прогнозирование динамики природной среды при отсутствии
управляющих воздействий
ИНС _АТМОСФЕРА
( ССО , СNО2 , СSО2 ), ИНС _ШУМ ( Lэкв . )
Оценка (текущей/прогнозируемой) экологической ситуации на
территории жилой застройки по состоянию воздушного бассейна на
основе компьютерной программы ЭС
да
Экологическая ситуация
характеризуется как неблагоприятная:
«относительно опасная», «опасная»,
«критическая»
нет
Выбор возможных управляющих воздействий по обеспечению требуемого состояния воздушного бассейна на основе программ:
ИНС_ИНФРАСТРУКТУРА (l, l'', kоз., Н)
ИНС_ АВТОДОРОГА (N, Nл., Nгр., Nавт., Qг.авт., V)
Формирование альтернативных сценариев управления экологической
безопасностью территории жилой застройки
КОНЕЦ
Рис. 4 – Алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при
функционировании АСУ экологической безопасностью территории
жилой застройки.
15
Характеристика
экологической
ситуации
Цвет
Нормальная
Относительно
опасная
Опасная
Очень
опасная
Критическая
Рис. 6 – Вид электронной карты «Экологическая ситуация (среднегодовая) на территории
жилой застройки г. Орла».
Характеристика
экологической
ситуации
Цвет
Нормальная
Относительно
опасная
Опасная
Очень
опасная
Критическая
Рис. 7 – Вид электронной карты «Прогноз экологической ситуации на территории
жилой застройки г. Орла (на июль 2011г., ветер 1 м/сек, направление – Ю)».
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1.
Анализ формирования экологической ситуации в городах России показал,
что территория жилой застройки часто находится в зоне мощного негативного
техногенного воздействия. При высоких темпах строительства практически не
проводится оценка качества природной и социальной сферы, отсутствуют эффективные сценарии управления экологической безопасностью.
2.
В ходе исследования была предложена модель АСУ экологической безопасностью территории жилой застройки. Она разработана на основе обобщенной модели АСУ экологической безопасностью промышленно-транспортного
комплекса, в которую внесены следующие существенные изменения:
- многокомпонентное представление объекта управления, учитывающее особенность жилой застройки, связанную с существенным влиянием развития социальной сферы, характеризуемой параметрами качественной оценки;
- вынесение блоков принятия управленческих решений и реализации управляющих воздействий в отдельные составляющие АСУ, введение внутренних контуров управления реализующих адаптивность системы;
- интеллектуализация системы мониторинга за счет введения блока, реализующего оценку экологической ситуации на основе специально разработанных моделей и программ.
3. Для обеспечения эффективного функционирования АСУ на основе предложенной модели разработаны математические модели оценки и прогнозирования
экологической ситуации в целом и качества отдельных компонентов природной
среды, а также модели выбора управляющих воздействий.
4. Предложен вариант программной реализации разработанных моделей на
основе системы компьютерной математики МАТLAB.
5. Для визуализации данных мониторинга и компьютерных экспериментов создан электронный атлас «Экологическая ситуация на территории жилой застройки г. Орла», позволяющий проводить прогнозный пространственный
анализ динамики экологической ситуации на территории жилой застройки (существующей и планируемой для строительства).
6. Предложен алгоритм формирования рекомендаций для управляющей системы при функционировании АСУ экологической безопасностью на конкретной территории жилой застройки, включающий в себя различные формы сценариев развития экологической ситуации.
7. Проведено моделирование экологической ситуации на конкретной территории г. Орла и г. Мценска, по результатам которого сформированы сценарии
управления, позволившие получить следующий эффект:
- установка шумопоглощающего покрытия (ООО «Бриз») указанной плотности
и толщины снизило уровень шума на прилегающих к ледовому катку г. Мценск
на 15-20 дБА, что обеспечило отсутствие жалоб со стороны населения;
- рекомендованы безопасные по состоянию воздушного бассейна (в соответствии с ПДКм.р. загрязнений в атмосфере и ПДУ шума на селитебных территориях) расстояния от жилых домов, прилегающих детских площадок и зон для
отдыха до ближайших автодорог, а также уровень их озеленения при строи-
17
тельстве жилых комплексов по улицам Матросова, Бурова, Поликарпова (ООО
« Стройинвест»), по улице 60 лет Октября ( ЗАО «Холикон-Инвест»);
- выработаны различные варианты управляющих воздействий (изменение параметров транспортного потока, озеленение тротуаров, альтернативное изменение инфраструктуры территории) для существующей территории жилой застройки г. Орла, находящейся в зоне неблагоприятной экологической ситуации,
которые позволят снизить уровень загрязнения воздушного бассейна до предельных значений.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК
1. Константинов, И.С. Особенности построения и интеллектуализация системы
экомониторинга в составе автоматизированной системы управления экологической безопасностью Текст/ И.С. Константинов, О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии. – 2010. - № 6(62) ноябрь-декабрь. – С. 113-118.
2. Иващук, О.Д. Моделирование экологической ситуации в автоматизированной
системе управления экологической безопасностью Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии.– 2011. - № 4(66) июль-август. – С. 57-62.
3. Иващук, О.Д. Управление экологической ситуацией на территории жилой застройки на основе моделирования. Текст/ О.Д. Иващук // Строительство и реконструкция. – 2011. - №3 (35) май-июнь. – С. 30 – 39.
4. Иващук, О.Д. Интеллектуализация автоматизированных систем управления
экологической безопасностью территорий жилой застройки. Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии.– 2011. - № 6(68) ноябрьдекабрь. – С. 43-49.
Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ
5. Иващук, О.Д. Оценка и прогнозирование уровня загрязнения воздушного
бассейна на территории жилой застройки // Свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ №2011618854. Зарегистрир. в реестре программ для ЭВМ 14 ноября 2011 года.
Публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций
6. Иващук, О.Д. Экомониторинг при автоматизированном управлении экологической безопасностью промышленных объектов. Текст/ О.Д. Иващук // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы,
идеи, решения: Материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-15», 10-12
ноября 2010 г.; под ред. В.В. Прейса, Е.В. Давыдовой. В 2-х частях. Ч.2. Тула:
Изд-во ТулГУ, 2010. – С. 188-193.
7. Иващук, О.А. Система экомониторинга в составе АСУ и реализация электронных услуг Текст/ О.А. Иващук, И.С. Константинов, О.Д. Иващук // III тысячелетие – новый мир: Труды Международного форума по проблемам науки,
техники и образования, г. Москва, 7-10 декабря 2010 / под ред. В.А. Малинникова, В.В Вишневского. – М.: Академия наук о Земле, 2010. – C. 112-114.
18
8. Иващук, О.Д. Методика построения автоматизированных систем управления
экологической безопасностью на территориях с жилой застройкой. Текст/
О.Д. Иващук // Развитие информационных технологий и их значение для модернизации социально-экономической системы: материалы международной
научно-практической конференции (12 мая 2011 г.). Саратов: Изд-во ЦПМ
«Академия бизнеса», 2011.- С. 87-91.
9. Иващук, О.Д. Подходы к оценке экологической ситуации в автоматизированных системах управления. Текст/ О.Д. Иващук // Актуальные проблемы
науки: сб. научн. тр. по материал. Международной научн. - практ. конферен.
(30 мая 2011 г.), Ч. 4; Мин. обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «БизнесНаука-Общество», 2011. – С. 61-62.
10. Иващук, О.Д. Модели экологической ситуации в автоматизированной системе управления экологической безопасностью на территории жилой застройки. Текст/ О.Д. Иващук // Информационные системы и технологии: сб. научн.
тр. по материал. Международной научн. - практ. интернет-конферен. (апрельмай 2011 г.), Т. 3 /под общ. ред. проф. И.С. Константинова. Орел: ФГОУ ВПО
«Госуниверситет - УНПК», 2011. - С. 57 – 60.
11. Иващук, О.Д. Модель интегральной оценки экологической ситуации в автоматизированных системах управления экологической безопасностью. Текст/
О.Д. Иващук // Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве: сб. трудов V международной научно-практ. конференции (4-8 июля 2011 г.), в 2-х частях. – Ч. 2./ под. ред. Ю.А. Романенко, Е.В.
Ломановой. Протвино: Управление образования и науки, 2011. - С. 96-97.
Подписано в печать 16.11.2011 г.
Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. 1,2. Заказ 118. Тираж 100 экз.
Отпечатано в издательстве Орел ГАУ,2011, Орел, Бульвар Победы, 19.